码垛机械手控制系统设计附录.doc

目录
附录1 课题审批表
附录2 毕业设计任务书
附录3 毕业设计开题报告
附录4 毕业设计计划进程表
附录5 毕业设计中期检查表
外文文献
外文翻译
附录1 课题申请表
毕业设计（论文）课题申请表
附录2 任务书
毕业设计（论文）任务书
（由指导教师填写）
附录3 开题报告
毕业设计（论文）开题报告
附录4计划进程表
毕业设计（论文）计划进程表
附录5 中期检查表
毕业设计（论文）中期检查表
一套采用PLC及工业无线模块
构建的工业现场水泵控制试验系统
Ramazan Bayindir a, Yucel Cetinceviz b
a 土耳其安卡拉Gazi大学技术学院
b 土耳其卡斯特木卡斯特姆大学机电一体化高等教育职业学院
文章信息关键词
文章历史：可编程控制器
2010年6月22日收到分布式IO
2010年10月14修订工业无线局域网
2010年10月19接受工业以太网
摘要
本文设计了一套针对工厂的水泵控制系统，并在实验室完成了该系统的构建。

在这些工厂中的工作环境比较恶劣，如存在化学品，振动和频繁移动部件，从而可能会损害控制系统的构成部件——电线或电缆。

由此，数据不得不通过公共路径进行传输。

本文所设计的系统采用了可编程控制器（PLC）及工业无线局域网（IWAN）技术。

它是由一个PLC，一个通信处理器，两个IWAN模块，和一个分布式输入∕输出模块，以及水泵和传感器组成。

该系统以工业以太网和标准的传输控制协议∕网际协议（TCP/IP）来实现参数，配置和诊断数据的通信的。

可编程控制器的主要功能是根据水罐中的水位控制水泵的启停。

水位信号是由压力变送器和多组限位开关获取的。

本文的目的是对于电缆布线不可能的生产过程提供一个可行的解决方案。

它还有安装和维护的成本较低，运行可靠，强大和灵活的结构，适合工业应用的优点。

©2010。

由爱思唯尔公司保留所有权利
1.简介
现代生产过程使用工业自动化系统。

在这些过程的自动化是必然的，它能促进高效率和高质量的生产。

对这一级的自动化，一天天的生产任务已迅速取得进展。

自动控制系统使进程运行在一个安全和盈利的方式。

这可以通过不断测量工艺操作参数，如温度，压力，流量和浓度水平实现。

这些参数可以用来自动进行工艺决策，例如，动阀或泵，和控制加热，以使过程测量保持在理想值。

现代制造系统中的抽水设备是许多工业生产活动，尤其是在化学或食品行业的主要设备[1]。

抽水系统通常存在于生产厂的外部。

它们在恶劣的环境中，可以破坏任何一中布线。

在通信技术的最新进展为这一问题提供了适当的解决方案。

数据通信在快速发展的工业化系统中起着重要的作用。

工业自动化系统是周边生产单位运转正常。

通过所有可能的产品系统的之间的数据通信，它们也为高层管理提供来自所有系统的信息。

分布式生产或服务需要使用异构网络，包括本地和广域网络，由不同组织调节的有线和无线通信系统。

这些组织有控制器区域网络，联络母线，设备网，网络通信协议，AS接口和现场总线[2,3]无线局域网技术在办公环境，尤其是小型办公室及家庭办公室设置中广泛使用。

如前所述，传统的网络提供了许多优势，但需要电缆互连设备。

由于低的可扩展性和连接器的高失败率，这导致高安装及维修成本。

在制造
厂最有前景的创新是无线技术的引进。

通过给工厂装上无线系统，大量电缆将被取代，这将会减少部署和维修成本。

由于流动性的增强和更灵活的通信范式，无线系统也能确保新的应用[4,5]。

出于这个原因，在过去的几年内，无线技术已经在消费品行业有了巨大的成功。

无线解决方案对制造工厂的通信系统变的越来越有吸引力。

此外，在传感器水平采用无线解决方案提供了其它的优点：连续，高分辨率，高敏感；支持移动性；备份；和紧密[6]。

在工业领域运用无线通信技术，为这种环境特意设计的产品是可取的。

无线解决方案正越来越多的用于处理厂以满足现代工作实践的需要。

无线技术可能有在有线系统不存在的安装成本的节省和一定程度的灵活性。

有线控制系统需要挖沟铺设新线；修复旧线或更换铜线可能非常昂贵。

一些具体的盈利功能的无线网络安装和维护成本更低，物理障碍问题的干扰更小，标准最小化和传输比特率增加到54M[7]。

在使用无线系统时，有几个限制应该仔细考虑，例如，安全问题，可靠性，覆盖面积和容错。

尽管无线网络的优势，对这些问题和解决方案的不充足的资料也可以使用[8]。

对于工业无线通信，有几个参数必须加以考虑。

就像用于工业无线传输实验的模型一样，在工业无线通信系统中，对可能影响时间行为和失效模式的相关参数都做了定义和描述。

一些研究已经在工业厂房的无线通信中使用：在[7]中，进行了最显著的分析。

在这项工作中，彻底调查所有工业的要求被提出：成本效益，可扩展性，可靠性，灵活性，可用性高，抗干扰性，安全性，以及许多其他因素。

这些问题在危险和噪杂的环境中是是至关重要的。

现有的无线解决方案进行了审查，而且行业需求和现有的无线标准之间的工作开发潜能应相匹配。

远程自动抄表（AMD）系统是用于给水机构[ 9]。

在这项工作中，为实施该系统，磁共振（磁阻）传感器，磁簧开关和cyble传感器模块，以及安装系统的通信，射频和模块都要用到。

在[10]中，作者调查了无线通信在工业应用的问题和相应的解决方案：基本问题，使用现有的无线技术这一特定领域的应用，并创造混合系统。

在[4]，无线传感器网络被详细描述。

在[ 11]中，描述了实现一个接口模块（12M）钻井和批准过程。

基于IEEE1451标准，本产品模拟了拥有工业液压模块（MHI-01）的一个系统。

在很多作品中都有关于工业无线传感器的研究–[12-16]。

在[17-20]的的研究报告中，无线传感器模块被用于家庭自动化。

在[21]中，拥有一个个人数字助理（掌上电脑），一个可编程控制器，一个无线设备服务器及其驱动程序组成的一个伺服电机远程控制。

系统通信由无线网卡的掌上电脑，无线设备服务器，和RS - 232端口控制器建立。

在[1]中，使用一个可编程控制器和频率控制对一个小容量泵水系统设计，构造，测试。

在这项工作中，系统的通信是由电缆确立的。

在其它作品中，一些用可编程控制器和传统布线系统过程控制的例子被提出[1,22-30]。

可编程控制器通常是工业自动控制系统的主要部分。

它们用于内部存储指令，执行控制功能，如逻辑，顺序，定时，计数和算术。

它们通过模拟数字或模拟输入∕输出模块控制各种类型的机械和工艺进程。

它也可用于监测和控制植物或设备行业如电信，能源，水和废物管理，石油和天然气精炼，运输[[23]。

本文在于为工厂布线不可能的地方提供可行的解决方法。

该解决方案应该降低安装成本和维护成本，提供可靠的运行，并成为强大和灵活的建设工业应用。

在这项研究中，我们使用西门子工业无线局域网SCALANCE WIWLAN模块，这是从不同的无线传感器网络（无线传感器网络）和无线局域网系统中使用以前的研究报告。

图1. 控制过程框图
2.系统设计
系统设计考虑了环境条件和工艺细节。

图1是一个例证的控制过程。

在这个过程中，过程变量（光伏）[31 , 32]是水箱中的水位。

它是由水槽中的一个压力变送器和限位开关（最高和最低水位），而且这些值输入到一个自动控制器。

这个自动控制器实际上是一个基于水位的驱动泵。

如图1所示，一个开放的水槽提供水的流入，Q1，来自一个可以控制的水泵。

从槽中流出，Q2，由一个根据用户需要调节的手动阀控制。

水槽中的水位根据来自两个限位开关的控制器接到的压力和输入控制。

因此，过程控制模式是开关控制。

这是一个不连续的形式的控制行为，也被称为双位控制。

在这个过程中，当水位处于最小值时，开关控制器转向打开位。

当水位达到最大值时，控制器转向关闭位。

图二是根据环境条件和所需的过程控制设计的系统框图。

2.1硬件结构
如图三所示，整个系统由三个不同的单元组成。

第一个单元是电脑，电脑运行一个命名为西门子管理器的项目。

它用于认知硬件，如图5所示的软件包（STEP7），还有为可编程控制器编写控制程序。

这种控制程序通过MPI(多点接口)适配器通信电缆下载到可编程控制器。

第二个单元是主节点，它由三个部分组成：一个有数字和模拟模块的可编程控制器，一个CP（通信处理器），和一个无线接入点。

最后一个单元在客户端节点的边。

这个单元位于控制中心的外部，并与控制设备直接相连。

无线客户端模块，分布输入/输出接口模块和电机防护包装（MPP）构成客户端节点。

可编程逻辑控制器（PLC）.通常情况下，一个可编程逻辑控制器[33]的基本功能模
块有一个处理器，内存，电源供应单元，输入∕输出接口部分，通信接口和编程装置组成。

图4显示了基本安排。

该处理器或中央处理单元（CPU）是包含微处理器的单位的单元。

根据存储在内存中的程序，对输出信号的决定，这翻译输入信号并采取措施。

●供电单元需要将交流电源电压转变为处理器和电路的输入∕输出模块所必须的直
流电压。

●编程设备用于输入所需的程序到内存的处理器上。

这一程序得以在设备中运行，然
后转移到内存单元的可编程控制器。

●内存单元用于微处理器程序的存储。

内存单元也从存储进程中的输入数据和缓冲数
据输出。

输入和输出部分接受来自外部设备的信息，以及来自外部设备的传达信息。

输入可能来自于开关和传感器，像光电细胞，温度传感器，或者流量传感器。

输出可能与马达启动器线圈，电磁阀，或其他执行机构相连。

输入和输出设备可分为信号的类型，如数字或模拟。

●通信接口是用来在通信网络上接收和传送数据。

它管理设备验证，数据采集，同步
用户应用程序，和连接管理。

●在这项研究中，我们运用了西门子S7313C紧凑可编程控制器，它24DIs(数字输
入),16Dos(数字输出),5AIs(模拟输入),2AOs(模拟输出)和一个电源（120∕230V AC,24V DC,5A）。

●通信处理器（CP）。

可编程控制器系统的以太网模块是将可编程控制器连接到网
络的通信处理器[29]。

一个附加的通信处理器是用来允许可编程控制器和工业无线网之间通过传输控制协议∕网际协议进行沟通。

我们在工作中的cp343-1通信处理器是专为运行在S7 - 300可编程逻辑控制器设计的。

它允许S7 - 300被连接到工业以太网和支持PROFINET输入∕输出
●工业无线局域网模块。

当重新配置系统和加快网络部署时，无线网络能够解决布线
所固有的物理障碍，降低安装成本，提高灵活性[7]。

工业无线局域网是一个覆盖功能和机制的总称，代表了增强的IEEE802.11标准。

即使802.11这个标准机制为其在工业应用提供了一个好的强度程度。

然而，就像在PROFINET[34]所要求的，工业无线网也也支持要求苛刻的应用，提供了一个特别高的实时性和确定性调度。

●在这项研究中，一个工业无线网网络使用来自西门子的新的SCALANCE W发电
元件。

无线网络用SCALANCE W788-1PRO临接入点建立，而以太网客户端模块W744-1 PRO用来连接节点到工业无线以太网。

●分布式输入∕输出模块。

当一个系统配置后，输入/输出和从进程往往是集中在综
合自动化系统。

ET 200S分布式输入∕输出系统是一个离散化，高度灵活的DP，它与中央控制器或总线的过程信号相连接。

ET 200S支持总现场类型PROFIBUS DP and PROFINET IO。

本研究采用拥有4 DIs, 2 DOs, 4 AIs 和用于工业以太网总线的两个24 V电源模块的ET200S-IM151-3PN标准。

●电机防护包装。

电动机保护套由一个经典的接触器，热开关，电流测量传感器
（CMT），和电压测量传感器（VMT）组成。

该电流测量传感器用来测量正弦和非正弦电流，输入电流0到100A，和4到20mA的输出回路供电。

电压测量传感器用于0.20到0.440V的交流电压和0.10 V/0(4).20 mA.的输出信号。

2.2 软件结构
该控制系统的软件在西门子项目管理器中开发。

这是当软件包（STEP7）开始时，中央窗口变为活动状态。

默认设置启动STEP7向导，帮助程序员创建STEP7项目。

程序员可以选择编程模式：梯形图（LAD）。

功能块图（FBD），和指令列表（STL）[36]。

项目结构是用来顺序存储和安排所有的数据和程序的。

系统软件分四个步骤完成。

第1步，设计解决方案的自动化任务。

第2步，配置硬件和网络[37]，如图5所示。

第3步，创建程序梯形图形式。

第4步，转移程序到CPU。

最后，测试软件的输入状态，程序执行，并输出状态。

图5. 西门子管理器硬件配置
3.系统实施
这种水泵控制系统被设计为一个开关控制器，有可编程控制器中的一个存储程序操作。

数据传输控制水泵是通过工业无线局域网模块由可编程控制器、分布式输入／输出，如图6所示的。

分布式输入／输出是通过工业无线局域网的无线网络系统连接到西门子中央处理器。

一个Scalance W788-1临接入点通过一个以太网模块技术服务单元连接到系统处理器。

在客户端，使用了一个Scalance W744-1临客户端模块分布式输入／输出ET 200S。

每一个工业无线局域网下面是一个由4 DIs, 2 DOs, and 4 AIs组成提供PROFINET的分布式输入/输出ET 200 S。

周期时间（程序造成的负荷）被指定为50ms，这导致典型的反应时约140毫秒的更新时间32ms。

3.1 系统通信
系统通信是由三个主要部分：个人电脑侧，接入节点，和客户端。

个人电脑通过一个网络接口连接到主节点。

通道和客户端访问节点之间是通过工业应用IEEE 802.11[6-8]标准通信的。

通过高达11Mbps的速度和2.5兆赫频率的802.11b/g和802.11标准工业无线局域网模块支持射频通信的运行[ 38 , 39 ]。

图7表明在802.11a/b/g标准下最小交易时间为32字节数据。

到达无线局域网的小数据包的最小交易时间在用54 兆位/秒802.11a or 802.11g时的120μs与用802.11b的1000μs之间。

许多工业系统的要求由这些无线局域网组件提供[40]。

如图6所示，客户端节点是直连接到控制设备通过常规命令组件。

通信是由网络组态软件包(STEP)的一部分通过工业以太网现场总线建立。

PROFINET使分布式现场设备（如信号模块输入/输出设备）是直接集成在工业以太网。

在配置STEP7，这些现场设备被分配到中央控制器（输入/输出控制器)。

现有的模块或设备可以继续使用PROFINET兼容接口或链接。

ROFINET为拥有工业无线局域网的无线通信提供了新的功能和应用。

实现的功能基于通过无线局域网的ROFINET网络。

如图8所示，以下功能使用于通过PROFINET IO控制器CP获得的S7-300 CPU 和PROFINET IO设备之间用户程序的数据流量。

•PNIO_SEND (FC 11)
• PNIO_RECV (FC 12)。

此外，下列功能块可用于诊断：
•PNIO_RW_REC (FB 52) (不能用于此应用程序)。

•PNIO_ALARM (FB 54) (不能用于此应用程序)。

这些功能块包括在SIMATIC_NET_CP 图书馆。

FC 11 (PNIO_SEND)块用于传输过程数据，也被称为用户程序中的循环。

过程数据可作为一个数据块用做内存。

FC11将过程数据传送到CP，然后再到PROFINET输入输出设备。

FC12块(PNIO-RECEIVE)用于从PROFINET输入输出设备（控制器输入）接受数据，以及用于将输入输出提供位（IOPS)从PROFINET输入输出设备转移到指定输入区[38]。

图6.设计系统图片
图7 .最小执行次数为32字节数据(40)
3.2 系统操作
抽水设备也许是用于化工，食品和其它行业的现代制造业和工业生产系统的重要部分。

抽水系统通常存在于生产工厂的外部和可能损害任何一种布线的环境中。

因此，设计这个系统的目的是用于无线，工业无线局域网模块的通信和自动控制系统。

用一个泵组向大量工厂供水的非常有效的计划是通过一个对所有馈线供水的环形总线实现。

这些系统的控制系统通过监测水位工作。

在这项研究中，水位通过一个压力变送器衡量和最高最低限位开关预防。

测量压力的方法：液体高度与一定基础上的压力成正比。

如果基本液体压力公式已经有了。

P = d ×g ×h (1)
dwater = 1000 kg/m (定值).
g = 9.81 N/kg (定值).
d代表液体的密度。

它是一个定值，由所用的液体确定。

g是重力加速度。

P = 1000 ×9.81 ×h N/m (1帕斯卡= 10 帕).
用以上公式，可以获得表1中的值。

SIMATIC Step 7 V5.4 已用于软件编程。

如图9所示，流程图完成后，用组织块，功能块，数据块，以及图10a所示的带数据块的下属块将程序结构体系创建成图10b 所示的程序层次。

应用功能块包含应用程序信号处理，如缩放，检测报警或控制与计算[41]。

符号名字在符号表中给出（例如，压力=高度和控制分贝）。

如图10c所示，使用STEP7中的标准库量值压力，电流电压转换模块。

图10d显示的系统视图程序。

系统程序被设定为：当水位下降时开泵，当水箱满时关泵。

当油箱是满的，通过无线工业无线局域网模块，使控制系统的信号泵关闭。

为防止溢出，当超过最大位时，水箱关闭。

泵系统工作如下。

水通过由用户操作的手动控制阀从水箱流出。

当水位引发低限位开关，一接触关闭和发射器发送数字信号，以及压力变送器，虚拟制造技术和线程通过无线客户端和接入点发送4–20毫安信号到控制器。

如果泵电流值不大于1A和泵的电压值不小于220V，可编程控制器的主要功能是发送数字信号到泵，使其打开并将水箱充满。

当水箱装满水时，压力变送器将高位的相关值缩小，或为预防电容开关一个接触的发射器，和发送“关闭”信号到控制器。

然后可编程控制器发送数字输出到水泵使其关闭。

图8. 在CPU中FC11和FC12中的典型序列
图9. 泵控制流程图
图10. 该系统的程序结构（a）下属快；（ｂ）变量数据块；（ｃ）压力程度快；（ｄ）泵控制功能块梯形图
4.总结
工业无线局域网模块和可编程控制器是过程自动和控制的自然技术选择。

[7，8]无线网络提供了必要的灵活性，低的维护成本，工厂设计及控制的可扩展性。

本文，我们讨论了水泵抽水的设计和实施过程。

提出的结构和结果表明用工业无线局域网协议与可编程控制器通信的可行性。

该系统使用工业应用进行测试，而且它还有很好的性能。

通常情况下，有线控制系统需要挖沟铺设总线，而修复旧线或更换偷铜线可能非常昂贵。

在这项研究中，水泵控制的无线通信解决了这些问题，而且拥有远超有线控制系统的明显优势。

致谢
这项研究来自于Gazi大学科研项目委员会的支持，资助07 /2009-06。

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Ramazan Bayindir 是土耳其安卡拉Gazi大学电子教育学院技术教育系副教授。

他于1992年毕业于土耳其安卡拉Gazi大学电子教育学院技术教育系。

他分别于1998年和2002年获得M.SC 和Ph.D。

他的主要研究方向是电力电子、电器机械、功率因数校正,单片机等。

Yucel Cetinceviz 是土耳其卡尔特木机电工程学院卡斯特木职业高中的老师。

他于2006年毕业于土耳其安卡拉Gazi大学电气教育学院。

他一直从事基于互联网的工业自动化的研究。

他的主要研究方向包括可编程逻辑控制器,过程控制、监控和数据采集(Scada)。